區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)中干擾仿真的建模研究
摘 要 在討論鐵路和城市軌道交通中的行車區(qū)間內(nèi)信息傳輸過(guò)程中可能存在的干擾的基礎(chǔ)上,給出并分析了區(qū)間軌道傳輸信道干擾的仿真建模策略。在簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)仿真相關(guān)技術(shù)之后,著重闡述了電氣化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾以及軌道電路同線干擾的數(shù)學(xué)模型。最終實(shí)現(xiàn)區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)中干擾的仿真,從而為鐵路區(qū)間以及軌道交通信號(hào)系統(tǒng)安全控制和防護(hù)設(shè)備的安全性測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的研究開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了一定的條件。
關(guān)鍵詞 城市軌道交通,區(qū)間信號(hào),系統(tǒng)仿真,面向?qū)ο?干擾仿真,建模
1 問(wèn)題的提出
列車在鐵路以及城市軌道交通線的區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱區(qū)間,即軌道線路上車站間的鋼軌線路) 的通過(guò)能力和安全運(yùn)行,對(duì)提高列車的通過(guò)能力與正常運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。指揮行車的信號(hào)設(shè)備, 與線路設(shè)備、機(jī)車車輛并列為軌道交通運(yùn)輸?shù)娜蠡A(chǔ)設(shè)備。信號(hào)設(shè)備的功能和可靠性對(duì)提高運(yùn)輸效率、保證列車的安全運(yùn)行等起著十分重要的作用。區(qū)間信號(hào)設(shè)備能確保列車在區(qū)間安全運(yùn)行的前提下,盡可能地提高列車在區(qū)間的通過(guò)能力。在我國(guó),隨著提速、重載戰(zhàn)略的實(shí)施和軌道交通科技的進(jìn)步,已有眾多的新型區(qū)間信號(hào)設(shè)備投入使用。在區(qū)間安全性控制和防護(hù)設(shè)備的研制、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,如何運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段,對(duì)其功能可靠性和安全性進(jìn)行科學(xué)、高效、全面、按標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)和評(píng)估是十分迫切的。
隨著我國(guó)城市軌道交通運(yùn)輸設(shè)施和管理的日益現(xiàn)代化,目前在區(qū)間通過(guò)軌道傳輸?shù)男畔⒃絹?lái)越多,也越來(lái)越復(fù)雜,這樣,信息傳送的可靠性和安全性問(wèn)題便顯得日益突出。在區(qū)間,自動(dòng)閉塞的行車信息以鋼軌作為信道進(jìn)行傳輸時(shí),不可避免地疊加有各種外界干擾。這些干擾將會(huì)對(duì)信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生影響,甚至危及行車安全。因此,在研究干擾源及其干擾規(guī)律的基礎(chǔ)上,仿真軌道電路傳輸過(guò)程中所出現(xiàn)的干擾,在檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)受檢區(qū)間信號(hào)設(shè)備進(jìn)行抗干擾能力的檢測(cè),有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于以上目的,本文將對(duì)用于區(qū)間測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的信號(hào)系統(tǒng)的信息傳輸仿真,重點(diǎn)是干擾仿真的建模方法展開(kāi)討論。
2 系統(tǒng)仿真
系統(tǒng)仿真是以系統(tǒng)理論、形式化理論、隨機(jī)過(guò)程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論以及優(yōu)化理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和仿真系統(tǒng)軟件為工具,對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法[ 1 ] 。
作為一種行之有效的認(rèn)知方法,系統(tǒng)仿真已在航空航天、經(jīng)濟(jì)管理、決策優(yōu)化、軍事演習(xí)、安全軟件測(cè)試評(píng)估等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在過(guò)去的20 年中,系統(tǒng)仿真技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展。概括來(lái)看,仿真領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容包括:仿真建模、形式化描述方法、仿真實(shí)現(xiàn)及仿真驗(yàn)證和確認(rèn)(V &V) 。
雖然系統(tǒng)仿真研究取得了巨大的進(jìn)展,但相對(duì)而言,仿真在鐵路信號(hào)領(lǐng)域的應(yīng)用還不是很充分。尤其在國(guó)內(nèi),它還是一個(gè)有待于近一步開(kāi)拓的領(lǐng)域。
面向?qū)ο?O -O) 的思想最早起源于仿真領(lǐng)域[ 2 ] 。在(O -O) 設(shè)計(jì)方法中,對(duì)象(object) 和消息傳遞(message passing) 分別表示事物、事物間的相互聯(lián)系;類(class) 和繼承(inheritance) 是適應(yīng)人們一般思維方式的描述范式;方法(method) 是允許作用于該類的各種操作。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中,“對(duì)象”是包含現(xiàn)實(shí)世界物體特性的抽象實(shí)體,而“類”是對(duì)一個(gè)或幾個(gè)相似對(duì)象的描述[ 3 ] 。對(duì)象、類、消息和方法的基本點(diǎn),在于對(duì)象的封裝性(encapsulation) 和繼承性。通過(guò)封裝,能將對(duì)象的定義和對(duì)象的實(shí)現(xiàn)分開(kāi);通過(guò)繼承能體現(xiàn)類與類之間的關(guān)系,以及由此帶來(lái)的動(dòng)態(tài)聚束(dynamic binding) 和實(shí)體的多態(tài)性(polymorphism) ,從而構(gòu)成了O -O 的基本特征。
對(duì)象建模技術(shù)(OM T) 是當(dāng)今較為實(shí)用的面向?qū)ο蠼５姆椒ㄖ弧Ｆ浞椒ㄕ摰幕舅枷胧荹4 ] :從空間、時(shí)間及功能這三個(gè)既獨(dú)立又相互聯(lián)系的角度去分析和設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)。OM T 的基本方法和過(guò)程是:首先從空間角度,直接面向應(yīng)用(即所要求解決的問(wèn)題) 的自然存在,并依據(jù)應(yīng)用的目的把它劃分成若干個(gè)離散的有用對(duì)象(或抽象成類),并確定這些對(duì)象的屬性、操作(主動(dòng)的和被動(dòng)的) 以及這些對(duì)象間的關(guān)系或聯(lián)系,來(lái)構(gòu)成問(wèn)題空間的靜態(tài)結(jié)構(gòu) 對(duì)象圖(或稱為待分析系統(tǒng)的對(duì)象模型);接下來(lái),從時(shí)間角度,考察系統(tǒng)中對(duì)象(特別是那些有交互活動(dòng)或并發(fā)操作的對(duì)象) 在不同時(shí)刻的狀態(tài)變化及對(duì)象之間相互關(guān)系的變遷,從而構(gòu)成對(duì)象的控制結(jié)構(gòu)(或稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型);最后,從功能的角度來(lái)描述系統(tǒng)中對(duì)象屬性值從輸入到輸出的變化過(guò)程及相關(guān)的操作,從而構(gòu)成數(shù)據(jù)計(jì)算或處理的邏輯結(jié)構(gòu)— 數(shù)據(jù)流程圖(DFD) 或稱為系統(tǒng)的功能模型[5 ] 。鑒于此,在區(qū)間軌道電路干擾仿真模型中筆者采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)。
3 軌道信息傳輸干擾仿真模型
3. 1 軌道電路中的傳輸干擾
按照數(shù)據(jù)傳輸理論,一般的傳輸模型如圖1 所示。
圖1 一般的數(shù)據(jù)傳輸模型
對(duì)于有線信道可以有兩種理解:一種是指信號(hào)的傳輸媒介,如架空明線、鋼軌、同軸電纜、光纖等, 稱此種類型的信道為狹義信道;另一種是將傳輸媒介和各種信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換、耦合等設(shè)備都?xì)w納在一起,稱之為廣義信道。
本文以鋼軌作為傳輸信道,即通過(guò)軌道電路傳輸信息。軌道電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示:在鋼軌線路的始端,通過(guò)匹配設(shè)備PP1 連接著發(fā)送器;在鋼軌線路的終端,通過(guò)匹配設(shè)備PP2 連接著接收器。
圖2 軌道電路基本結(jié)構(gòu)
軌道電路是鋼軌線路和連接于其始端及終端的器械的總稱。它是將某一區(qū)段的鋼軌用作電路的一部分,由區(qū)段內(nèi)的列車車軸將軌間分路,以檢查有無(wú)列車的電路,以及為向該區(qū)段內(nèi)的列車用鋼軌作導(dǎo)體傳送信息的電路[6 ] 。
軌道線作為傳輸媒介,具有分布參數(shù)特征。對(duì)應(yīng)于圖1 中的狹義信道,在研究傳輸干擾時(shí),還需考慮廣義信道,包括扼流變壓器、軌道變壓器等設(shè)備。
考慮信道中的干擾后,軌道電路的輸入和輸出可表示為:
E(t) = k(t)e(t) + n(t) (1) 式中: E( t) 為信道的輸出;e( t) 為信道的輸入; k( t) 為信道的傳輸乘性干擾; n(t) 為加性干擾。
k( t) 是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù), 表示軌道電路傳輸特性因加性和乘性干擾而成的變化特性, 主要體現(xiàn)在溫度、濕度等外界條件變化引起軌道電路的一次參數(shù)變化和軌道電路狀態(tài)( 如分路、斷軌等) 的變化。k( t) 對(duì)輸入信號(hào)的影響可能造成線性和非線性畸變, 引起傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰耗和延遲。n( t) 獨(dú)立于傳輸信號(hào)。在軌道電路的噪聲加性干擾模式中,產(chǎn)生軌道電路的噪聲干擾的干擾源很多, 又很分散。例如, 各種電子器件的固有噪聲、電磁感應(yīng)干擾和輻射干擾。從統(tǒng)計(jì)的角度看, 它們類似于高斯白噪聲, 因此可以用高斯白噪聲進(jìn)行模擬。考慮到在區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)中電氣化軌道電路傳導(dǎo)加性干擾的重要性和突出性, 下面將主要討論電氣化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾的建模問(wèn)題。
3. 2 電化區(qū)段軌道電路的傳導(dǎo)性加性干擾模型
在電氣化區(qū)段,鋼軌中所流經(jīng)的不僅有信號(hào)電流,還有牽引電流。電氣化區(qū)段軌道電路所傳輸?shù)男盘?hào)主要受牽引電流的干擾。國(guó)內(nèi)外有關(guān)部門對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。前蘇聯(lián)、日本、美國(guó)在六、七十年代對(duì)直流牽引和交流牽引區(qū)段的軌道電路傳輸干擾進(jìn)行了研究,其它一些發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)電氣化鐵路信號(hào)抗干擾的測(cè)試和分析系統(tǒng)進(jìn)行了研制。例如,德國(guó)慕尼黑實(shí)驗(yàn)所研制的高速列車干擾源測(cè)試車系統(tǒng),美國(guó)電磁兼容分析中心(ECAC) 為美國(guó)聯(lián)邦鐵路總署所作的電力機(jī)車干擾源的綜合分析系統(tǒng)等。在我國(guó),由北方交通大學(xué)主持,在一些電氣化線路上,對(duì)“電力牽引電流對(duì)信號(hào)系統(tǒng)軌道電路的傳導(dǎo)性干擾”進(jìn)行了研究,并提出了一些防干擾措施。以往的文獻(xiàn)多涉及抗干擾內(nèi)容。本文則以建立干擾仿真的數(shù)學(xué)模型為研究重點(diǎn)。
3. 2. 1 穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)性加性干擾模型
如圖3 所示,在電氣化區(qū)段,牽引電流經(jīng)鋼軌回到牽引變電所,當(dāng)流經(jīng)兩根鋼軌中的牽引電流大小相等時(shí),在扼流變壓器初級(jí)線圈上形成的磁場(chǎng)大小相等、方向相反,因而相互抵消不會(huì)影響接收端。但在實(shí)際條件下,兩根鋼軌對(duì)地漏泄電導(dǎo)不完全相其中: IS1 為第一根鋼軌中的牽引電流; IS2 為第二根鋼軌中的牽引電流。
牽引電流產(chǎn)生的干擾電壓, 與牽引電流的大小、不平衡系數(shù)以及軌道電路接收端對(duì)牽引電流的輸入阻抗成正比。不平衡系數(shù)較大時(shí),列車牽引噸數(shù)越大,牽引電流也越大,對(duì)信號(hào)設(shè)備的干擾也越大。在自動(dòng)閉塞各閉塞分區(qū)中,同時(shí)運(yùn)行的列車數(shù)越多,牽引電流也越大。為了仿真牽引電流對(duì)軌道電路的影響,首先應(yīng)該掌握和分析牽引電流所包含的頻率成分,然后建立該類干擾的仿真模型。以鐵路區(qū)間為例, 牽引電流基波的頻率為50 Hz , 但由于牽引電流是通過(guò)機(jī)車主變壓器,經(jīng)整流器整流后供給直流牽引電機(jī)的,因此,牽引電流的波形并不是正弦波,而是包含豐富諧波的非正弦周期函數(shù)。牽引機(jī)車類型和牽引級(jí)數(shù)不同,牽引電流的諧波成分也不同。實(shí)用中,一般在各種機(jī)車多種牽引級(jí)數(shù)下,對(duì)供電臂送端總電流的諧波含有率進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì),得到具有代表性的統(tǒng)計(jì)值作為諧波計(jì)算的依據(jù)。我國(guó)區(qū)間自動(dòng)閉塞所用信號(hào)頻帶為25 ～ 2 611 Hz ,因此應(yīng)重點(diǎn)考察牽引電流在這個(gè)頻帶的分布。
基于以上討論,當(dāng)將不平衡牽引電流視為干擾源時(shí),其干擾模型為:
N
q( t) =m
0. 5 nIS KIZS
∑
sin (2πmf 0 t) (4)
同,因此在兩根鋼軌中的牽引電流值也不相等,從
m = S
而在接收端產(chǎn)生干擾電壓。這種干擾的幅度和相位
相對(duì)于時(shí)間變化緩慢,可視為穩(wěn)態(tài)干擾。
圖3 牽引電流流通示意圖
兩根鋼軌中的牽引電流值不相等時(shí),其差值為不平衡牽引電流。對(duì)不平衡牽引電流進(jìn)行分析時(shí), 可將其視為等效流過(guò)接收端扼流變壓器初級(jí)線圈的半邊線圈。其干擾電壓為:
U= 0. 5 n KIISZS (2) 式中: IS 為牽引電流; ZS 為接收設(shè)備輸入阻抗; n 為接收端扼流變壓器初、次級(jí)線圈變壓之比; KI 為牽引電流不平衡系數(shù),其值為KI=| IS1 -IS2 |/IS (3)
αm式中:為基波頻率(50 Hz); S 為干擾源所包含諧波次數(shù)的下限且為正整數(shù); N 為干擾源所包含諧波次數(shù)的上限且為正整數(shù);其余同前。
對(duì)于不同的接收設(shè)備,其所能接收的信號(hào)頻帶范圍各不相同。為了更好地仿真在信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾, S 和N 的取值要保證干擾源所包含的信號(hào)頻率在接收設(shè)備的信號(hào)頻帶范圍內(nèi)。
3. 2. 2 瞬態(tài)傳導(dǎo)性干擾模型
在電氣化區(qū)段,信號(hào)設(shè)備除了受穩(wěn)態(tài)干擾外, 還經(jīng)常受到瞬態(tài)干擾的影響。瞬態(tài)干擾的起因很多,如:列車在鋼軌上運(yùn)行時(shí),車輪和鋼軌間的接觸電阻變化引起牽引電流的瞬態(tài)變化;由電力機(jī)車受電弓和接觸網(wǎng)之間接觸位置的變化而引起的脈沖干擾;電力機(jī)車啟動(dòng)和加速造成的牽引電流突發(fā)性脈沖干擾等。這類瞬態(tài)干擾的特點(diǎn)是干擾電流的峰值大、時(shí)間短且幅值和相位變化快,從而可以用隨機(jī)性的尖脈沖加以模擬。由于這部分內(nèi)容涉及的范圍較廣,作者在繼續(xù)深入研究的同時(shí)將另辟專文闡為述。
3.3 軌道電路的同線干擾模型
由于鋼軌中傳輸?shù)氖墙涣餍盘?hào),因此相鄰軌道電路間存在著感應(yīng)干擾。但這種干擾對(duì)有絕緣軌道電路接收設(shè)備的影響比較小,可以忽略不計(jì)。但對(duì)于無(wú)絕緣軌道來(lái)說(shuō),由于不設(shè)置機(jī)械絕緣,無(wú)絕緣軌道電路接收設(shè)備受同線干擾的影響要大一些。下面重點(diǎn)討論無(wú)絕緣軌道電路的同線干擾問(wèn)題。
圖4 為區(qū)間無(wú)絕緣軌道電路的示意圖。可見(jiàn), 對(duì)應(yīng)n個(gè)閉塞分區(qū)有n段軌道電路,接收設(shè)備JS1 能接受到FS2 ～ FSn 的信息,J S2 能接受到FS1 、FS3 、?FSn 的信息,即各區(qū)段間相互干擾。此干擾同樣為加性干擾,若干擾強(qiáng)度足夠大,則容易引起被干擾區(qū)段接收設(shè)備的誤動(dòng)。
圖4 無(wú)絕緣軌道電路同線干擾示意圖
對(duì)無(wú)絕緣軌道電路同線干擾進(jìn)行分析時(shí),根據(jù)加性干擾的獨(dú)立性,可以首先假定區(qū)間某一區(qū)段軌道電路的發(fā)送端(如FS1) 為干擾源, 發(fā)送設(shè)備工作,而其它各被干擾區(qū)段的發(fā)送端電壓為零,各被干擾區(qū)段接收和發(fā)送端均可視為此軌道電路中的中間分界點(diǎn)。采用與傳輸特性分析相同的方法,在各分界點(diǎn)建立邊界條件,求解出積分常數(shù),即可得出各被干擾區(qū)段各點(diǎn)處干擾量的大小。接著,分別將FS2 ～ FSn 視為干擾源,重復(fù)此過(guò)程,求出干擾量。再將接收設(shè)備上受到的各干擾量疊加,得到總的干擾量。對(duì)于有絕緣軌道電路,若絕緣節(jié)破損,可按照相同的方法進(jìn)行分析。具體模型如下:
設(shè)FS1 為干擾源,其它各被干擾區(qū)段的發(fā)送端電壓為零, 中間分界點(diǎn)為χ;U1 L(χ),U2 L(χ), I1 L(χ),I2 L(χ) 分別表示分界點(diǎn)χ 左側(cè)第一軌對(duì)地電壓、第二軌對(duì)地電壓、第一軌中的電流和第二軌中的電流,U1 R(χ),U2 R(χ),I1 R(χ),I2 R(χ) 分別表示分界點(diǎn)χ右側(cè)第一軌對(duì)地電壓、第二軌對(duì)地電壓、第一軌中的電流和第二軌中的電流。規(guī)定電壓方向?yàn)橛射撥壍降?電流方向?yàn)閺淖蟮接?則可得到分界點(diǎn)χ處的邊界條件:
U1 L(χ) = U1 R(χ)
U2 L(χ) = U2 R(χ)
I2 L(χ) + I1 L(χ) = I2 R(χ) + I1 R(χ)
2 (U1 L(χ) U2 R(χ)) = (I1 L(χ) I2 L(χ) I1 R(χ) + I2 R(χ)) Zχ(5)
式中,Zχ 表示分界點(diǎn)χ處鋼軌線路間的阻抗。
假設(shè)鋼軌線路的一次參數(shù)呈對(duì)稱分布,即兩根鋼軌的單位阻抗和對(duì)地漏導(dǎo)完全相同。滿足此條件的鋼軌線路稱為對(duì)稱鋼軌線路。由于鋼軌線路對(duì)稱,因此可得出對(duì)稱鋼軌線路各點(diǎn)的電壓與電流:
U1χ = A1chγ1χ +A2shγ1χ + A3chγχ + A4shγχ
U2χ = (A1chγ1χ + A2shγ1χ)-(A3chγχ + A4shγχ)
I1χ = y11 (A1shγ1χ + A2chγ1χ)+2 (A3shγχ + A4chγχ)/ ZC
I2χ = y11 (A1shγ1χ + A2chγ1χ)-2 (A3shγχ + A4chγχ)/ ZC (6)
由式(5) 的邊界條件方程組即可求出積分常數(shù)A1 、A2 、A3 、A4 ,代入式(6),從而可得出各被干擾區(qū)段FS2 ～ FSn 各點(diǎn)處干擾量大小。同理, 將FS2 ～ FSn 視為干擾源,重復(fù)此過(guò)程,求出干擾量大小,再將接收設(shè)備上受到的各干擾量疊加,便可得到總的干擾量。
4 結(jié)語(yǔ)
區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)干擾仿真的建模研究,對(duì)于建立基于測(cè)試評(píng)估的城市軌道交通區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)極為重要,是仿真理論的重要應(yīng)用領(lǐng)域。本文討論了區(qū)間軌道信息傳輸干擾仿真模型,并著重闡述了傳輸干擾的仿真建模理論,這將有助于正在開(kāi)發(fā)的區(qū)間計(jì)算機(jī)控制信號(hào)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的生成。當(dāng)然,仿真理論是一種不斷發(fā)展和創(chuàng)新的理論,干擾更有其復(fù)雜性和多樣性,區(qū)間信號(hào)仿真系統(tǒng)干擾仿真的建模研究仍是一個(gè)需要不斷深入研究的課題。
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